(57)【要約】【課題】  スキャタロメトリを用いて、アライメントを高精度にかつ効率的に行う。【解決手段】  ロットの先頭ウエハ上のウエハマークからの所定次数の回折光の強度を波長別に検出するステップ１０２と、その検出結果に基づいてスキャタロメトリ解析によってそのウエハマークの断面形状を求め、この断面形状からそのウエハマークの位置のオフセットを求めるステップ１０３と、そのウエハ又は２枚目以降のウエハ上のウエハマークの位置をアライメントセンサを用いて計測するステップ１０４と、この計測値をそのステップ１０３で求められたオフセットを用いて補正し、この補正された結果に基づいてそのウエハのアライメントを行うステップ１０５とを有する。【選択図】        図１０
2006012867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マークの位置に関する情報を求めるためのマーク計測方法において、
前記マークに検出用の光を照射し、前記マークから発生する所定次数の回折光又は前記マークから所定方向に発生する光を波長別に検出する第１工程と、
前記第１工程の検出結果に基づいて前記マークの断面形状に関する情報を求め、該断面形状に関する情報から前記マークの位置に関するオフセットを求める第２工程とを有することを特徴とするマーク計測方法。
【請求項２】
前記第２工程は、前記マークの断面形状を規定する所定のパラメータの値を変えながら前記マークから発生する光の波長別の強度分布を計算する工程と、
該工程で計算された強度分布が前記第１工程で検出された光の波長別の強度分布に近いときの前記所定のパラメータの値を特定する工程と、
該工程で特定された前記所定のパラメータの値で規定される前記マークの計測された断面形状から所定のマーク検出系で検出される前記マークの位置を予測する工程と、
該工程で予測される前記マークの位置と前記マークの計測された断面形状中の所定の層のマーク位置との位置ずれを前記オフセットとして求める工程とを有することを特徴とする請求項１に記載のマーク計測方法。
【請求項３】
前記マーク又は前記マークと同種類のマークの位置を計測する第３工程と、
前記第２工程で求められたオフセットを用いて前記第３工程で計測されたマークの位置を補正する第４工程とを更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載のマーク計測方法。
【請求項４】
前記第１工程において、前記マークから発生する所定の複数次数の回折光又は前記マークから所定の複数の方向に発生する光をそれぞれ波長別に検出することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のマーク計測方法。
【請求項５】
前記第１工程において、前記マークから発生する０次から±ｎ次（ｎは１以上の整数）までの回折光を検出することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のマーク計測方法。
【請求項６】
マークの位置に関する情報を求めるためのマーク計測装置において、
前記マークに検出用の光を照射し、前記マークから発生する所定次数の回折光又は前記マークから所定方向に発生する光を複数の波長別に検出する分光検出装置と、
前記分光検出装置の検出結果に基づいて前記マークの断面形状に関する情報を求め、該断面形状に関する情報から前記マークの位置に関するオフセットを求める演算装置とを有することを特徴とするマーク計測装置。
【請求項７】
前記演算装置は、前記マークの断面形状を規定する所定のパラメータの値を変えながら前記マークから発生する光の波長別の強度分布を計算し、このように計算された強度分布が前記分光検出装置で検出された光の波長別の強度分布に近いときの前記所定のパラメータの値を特定し、このように特定された前記所定のパラメータの値で規定される前記マークの計測された断面形状から所定のマーク検出系で検出される前記マークの位置を予測し、このように予測される前記マークの位置と前記マークの計測された断面形状中の所定の層のマーク位置との位置ずれを前記オフセットとして求めることを特徴とする請求項６に記載のマーク計測装置。
【請求項８】
前記マークの位置を光学的に検出するマーク検出系と、
前記マーク検出系の検出結果を前記演算装置によって求められたオフセットを用いて補正する補正装置とを更に有することを特徴とする請求項６又は７に記載のマーク計測装置。
【請求項９】
前記分光検出装置は、前記マークから発生する０次から±ｎ次（ｎは１以上の整数）までの回折光を検出することを特徴とする請求項６〜８の何れか一項に記載のマーク計測装置。
【請求項１０】
露光ビームで第１物体を照明し、前記露光ビームで前記第１物体を介して露光位置に配置された第２物体を露光する露光方法において、
前記第２物体を前記露光位置まで搬送する経路上で、前記第２物体上のマークに検出用の光を照射し、前記マークから発生する所定次数の回折光又は前記マークから所定方向に発生する光を波長別に検出する第１工程と、
前記第１工程の検出結果に基づいて前記マークの断面形状に関する情報を求め、該断面形状に関する情報から前記マークの位置に関するオフセットを求める第２工程と、
前記第２物体に対応する露光対象の物体を前記露光位置の近傍に配置した状態で、前記物体上の前記マークに対応するマークの位置を光学的に計測する計測する第３工程と、
前記第２工程で求められたオフセットを用いて前記第３工程で計測されたマークの位置を補正し、該補正された結果に基づいて前記物体の位置合わせを行う第４工程とを有することを特徴とする露光方法。
【請求項１１】
前記第２物体は感光材料の塗布された基板であり、
前記第１工程は、前記基板上に前記感光材料を塗布する直前、前記感光材料を塗布した直後、前記基板を搬送する経路上、又は前記基板を露光する直前に実行されることを特徴とする請求項１０に記載の露光方法。
【請求項１２】
露光ビームで第１物体を照明し、前記露光ビームで前記第１物体を介して第２物体を露光する露光装置において、
請求項６〜９の何れか一項に記載のマーク計測装置を備え、
前記マーク計測装置を用いて、前記第１物体又は前記第２物体上のマークの位置に関する情報を求めることを特徴とする露光装置。
【請求項１３】
露光ビームで第１物体を照明し、前記露光ビームで前記第１物体を介して第２物体を露光する露光装置と、
前記第２物体上に感光材料を塗布する塗布装置と、
前記塗布装置と前記露光装置との間で前記第２物体を搬送する搬送装置とを有する露光システムにおいて、
前記露光装置、前記塗布装置、及び前記搬送装置のうちの少なくとも１つの装置が、請求項６〜９の何れか一項に記載のマーク計測装置を備えたことを特徴とする露光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いわゆるスキャタロメトリ(Scatterometry) 又はリフレクトメトリ(Reflectometry) を用いて、マークの位置に関する情報を求めるためのマーク計測技術に関し、例えば半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、又は表示素子（液晶表示素子等）等の各種デバイスのマスクパターンを基板上に転写する露光工程においてマスク及び基板のアライメントを行う場合等に使用して好適なものである。また、本発明は、そのマーク計測技術を用いた露光技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体素子や液晶表示素子を製造するためのリソグラフィ工程中の露光工程においては、ステッパーやスキャニングステッパー等の露光装置を用いて、マスクとしてのレチクル（又はフォトマスク等）に形成された微細なパターンの像が、フォトレジスト等の感光材料が塗布された基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）上に投影露光される。ウエハ上には複雑な回路を多数の層（レイヤ）に亘って所定の位置関係で形成する必要があるため、ウエハ上の２層目以降の露光に際しては、レチクル及びウエハ上のアライメントマークの位置の検出結果に基づいて、レチクルのパターン像をウエハ上の各ショット領域に既に形成されている回路パターンに高精度に位置合わせ（アライメント）した状態で、レチクルのパターン像の露光が行われる。アライメント精度に対する要求は、パターンの微細化と共に厳しくなってきており、アライメントには様々の工夫がなされている。
【０００３】
従来、レチクル上のアライメントマークの検出（レチクルアライメント）には、露光光を用いてＣＣＤカメラなどで撮像したマークの画像データを画像処理してマーク位置を計測するＶＲＡ（Visual Reticle Alignment）方式などが使用されている（例えば、特開平７−１７６４６８号公報参照）。一方、ウエハ上のアライメントマークの検出（ウエハアライメント）方式としては、ＣＣＤカメラなどで撮像したマークの画像データを画像処理してマーク位置を計測するＦＩＡ（Field Image Alignment)方式が主に用いられている（例えば、特開平７−１８３１８６号公報参照）。ところが、このような大開口数の光学系によってマーク像を結像する方式は、光学系の収差やマーク歪み（例えば断面形状の非対称性）などの影響を受け易い傾向がある。
【０００４】
そのため、最近、光学系の収差、マーク歪み等の影響を原理的に受けにくいマーク計測方法として、いわゆるスキャタロメトリ(Scatterometry) を用いる方法が提案されている。スキャタロメトリを用いる方法とは、計測対象の２層のマークに所定帯域幅の検出光を照射し、それらのマークから発生する所定の一つの次数の回折光、又は所定の一つの方向への光束（反射光等）を波長別に分光して検出し、得られた波長別の反射率又は透過率（分光反射率又は分光透過率）等の計測結果を用いて、２層のマークの相対位置ずれ量を求める方法である（例えば、特許文献１参照）。この方法において、その２層のマークに対して検出光を垂直入射させて、それらのマークからの正反射光を受光する方式はリフレクトメトリ(Reflectometry) とも呼ばれている。
【０００５】
また、スキャタロメトリを用いた従来の別のマーク計測方法は、第１レイヤ及び第２レイヤに同一ピッチの第１及び第２の１対のマークを計測方向に近接して形成しておき、その第１及び第２の１対のマークにそれぞれレイヤ間で設計上で＋１／４ピッチ及び−１／４ピッチの相対位置ずれ量を与えておくものである（例えば、非特許文献１参照）。この場合、その第１レイヤに対してその第２レイヤの相対位置ずれが生じていると、その第１及び第２の１対のマークの相対位置ずれ量の絶対値が逆方向に変化することを利用して、それらのマークからの光束の分光反射率の計測結果に基づいて、その第２レイヤの相対位置ずれ量を計測することができる。
【特許文献１】特開２００３−６８６３９号公報
【非特許文献１】H. Huang, G. Raghavendra, A. Sezginer, K. Johnson, F. Stanke, M. Zimmerman, C. Cheung, M. Miyagi and B. Singh, "Scatterometry-Based Overlay Metrology", Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography, SPIE（米国）, Bellingham, 2003, Vol. 5038, p. 132-143
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の如く、スキャタロメトリ（又はリフレクトメトリ）を用いたマーク計測方法では、所定次数の回折光又は正反射光等の実質的に一つの方向に発生する光束のみを検出すればよい。そのため、開口数の小さい単純な光学系が使用でき、光学系の収差の影響は極めて小さくなり、マーク歪みの影響等も小さくなる点で、原理的には従来のＦＩＡ方式等の結像方式よりも優れている。
【０００７】
しかしながら、スキャタロメトリを用いた計測方法では、例えば１対のマークからの光束の分光反射率（実測値）を計測した後、コンピュータのソフトウェア上で１対のマークの位置ずれ量を次第に変えながら、それに対応して観察される分光反射率のパターン（理論値）を求め、その理論値がその実測値に収束するまでその計算を繰り返していた。従って、計算量が多く計算時間も長くなるため、例えば露光装置に対して連続して搬送されて来る全部のウエハに対して、計測対象の全部のアライメントマークの位置をスキャタロメトリを用いて計測するのでは、アライメント時間が長くなり、露光工程のスループットが低下する恐れがある。
【０００８】
一方、ＦＩＡ方式のような結像方式のアライメントセンサは、計測効率の点では優れているが、上述のように光学系の収差やマーク歪み等の影響を受け易いという問題がある。
本発明は斯かる点に鑑み、マーク歪み等の影響を軽減できると共に、複数のマークを計測するときの計測効率も高く維持できるマーク計測技術を提供することを目的とする。
更に本発明は、スキャタロメトリ又はリフレクトメトリを用いて、アライメントを高精度に、かつ効率的に行うことができる露光技術を提供することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるマーク計測方法は、マークの位置に関する情報を求めるためのマーク計測方法において、そのマークに検出用の光を照射し、そのマークから発生する所定次数の回折光又はそのマークから所定方向に発生する光を波長別に検出する第１工程（ステップ１０２）と、その第１工程の検出結果に基づいてそのマークの断面形状に関する情報を求め、この断面形状に関する情報からそのマークの位置に関するオフセットを求める第２工程（ステップ１０３）とを有するものである。
【００１０】
斯かる本発明によれば、そのマークから発生する光が波長別に検出され、その検出結果より例えばスキャタロメトリ又はリフレクトメトリに基づいた計算によってそのマークの断面形状が求められる。そして、仮にそのマークに歪み等が生じていても、その断面形状からそのマークを通常のマーク検出系で検出したときのオフセットを高精度に求めることができる。従って、それ以降の同種のマークの計測は、通常のマーク検出系を用いて高精度に、かつ効率的に行うことができる。
【００１１】
本発明において、その第２工程は、一例としてそのマークの断面形状を規定する所定のパラメータの値を変えながらそのマークから発生する光の波長別の強度分布を計算する工程と、この工程で計算された強度分布がその第１工程で検出された光の波長別の強度分布に近いときのその所定のパラメータの値を特定する工程と、この工程で特定されたその所定のパラメータの値で規定されるそのマークの計測された断面形状から所定のマーク検出系で検出されるそのマークの位置を予測する工程と、この工程で予測されるそのマークの位置とそのマークの計測された断面形状中の所定の層のマーク位置との位置ずれをそのオフセットとして求める工程とを有する。
【００１２】
このように計測された波長別の強度分布と計算によって求められた波長別の強度分布とができるだけ一致するように、そのマークの断面形状を求めることによって、高解像度の光学系を用いることなく、そのマークの断面形状を正確に求めることができる。更に、その断面形状からマーク検出系で検出されるマーク位置が予測できるため、そのマーク位置と本来のマーク位置（例えば所定の層でのマーク位置）とのオフセットも正確に求めることができる。
【００１３】
本発明において、そのマーク又はそのマークと同種類のマークの位置を計測する第３工程（ステップ１０４）と、その第２工程で求められたオフセットを用いてその第３工程で計測されたマークの位置を補正する第４工程（ステップ１０５）とを更に有することができる。その第３工程は例えば通常の結像方式のマーク検出系を用いて効率的に実行できる。
【００１４】
また、その第１工程において、そのマークから発生する所定の複数次数の回折光又はそのマークから所定の複数の方向に発生する光をそれぞれ波長別に検出してもよい。このように複数次数の回折光又は複数方向に発生する光を検出することによって、そのマークの非対称な断面形状も求めることができる。
また、その第１工程において、そのマークから発生する０次から±ｎ次（ｎは１以上の整数）までの回折光を検出してもよい。ｎの数が小さい程、光学系の構成が単純化できて光学系の収差が低減する一方で、ｎの数が大きい程、より完全な断面形状を求めることができる。
【００１５】
次に、本発明によるマーク計測装置は、マーク（ＷＭ）の位置に関する情報を求めるためのマーク計測装置において、そのマークに検出用の光を照射し、そのマークから発生する所定次数の回折光又はそのマークから所定方向に発生する光を複数の波長別に検出する分光検出装置（４０，５０）と、その分光検出装置の検出結果に基づいてそのマークの断面形状に関する情報を求め、この断面形状に関する情報からそのマークの位置に関するオフセットを求める演算装置（４９）とを有するものである。
【００１６】
本発明によれば、その分光検出装置の検出結果より例えばスキャタロメトリ又はリフレクトメトリに基づいた計算によってそのマークの断面形状、ひいてはそのマークを通常のマーク検出系で検出したときのオフセットを高精度に求めることができる。従って、それ以降の同種のマークの計測は、通常のマーク検出系を用いて高精度に、かつ効率的に行うことができる。
【００１７】
本発明において、その演算装置は、一例として、そのマークの断面形状を規定する所定のパラメータの値を変えながらそのマークから発生する光の波長別の強度分布を計算し、このように計算された強度分布がその分光検出装置で検出された光の波長別の強度分布に近いときのその所定のパラメータの値を特定し、このように特定されたその所定のパラメータの値で規定されるそのマークの計測された断面形状から所定のマーク検出系で検出されるそのマークの位置を予測し、このように予測されるそのマークの位置とそのマークの計測された断面形状中の所定の層のマーク位置との位置ずれをそのオフセットとして求める。これによって、そのマークの断面形状及びオフセットを正確に求めることができる。
【００１８】
また、本発明において、そのマークの位置を光学的に検出するマーク検出系（１２）と、そのマーク検出系の検出結果をその演算装置によって求められたオフセットを用いて補正する補正装置（４）とを更に有することができる。
また、その分光検出装置は、そのマークから発生する０次から±ｎ次（ｎは１以上の整数）までの回折光を検出することができる。
【００１９】
次に、本発明による露光方法は、露光ビームで第１物体（Ｒ）を照明し、その露光ビームでその第１物体を介して露光位置に配置された第２物体（Ｗ）を露光する露光方法において、その第２物体をその露光位置まで搬送する経路上で、その第２物体上のマークに検出用の光を照射し、そのマークから発生する所定次数の回折光又はそのマークから所定方向に発生する光を波長別に検出する第１工程（ステップ１０２）と、その第１工程の検出結果に基づいてそのマークの断面形状に関する情報を求め、この断面形状に関する情報からそのマークの位置に関するオフセットを求める第２工程（ステップ１０３）と、その第２物体に対応する露光対象の物体をその露光位置の近傍に配置した状態で、その物体上のそのマークに対応するマークの位置を光学的に計測する計測する第３工程（ステップ１０４）と、その第２工程で求められたオフセットを用いてその第３工程で計測されたマークの位置を補正し、この補正された結果に基づいてその物体の位置合わせを行う第４工程（ステップ１０５）とを有するものである。
【００２０】
本発明によれば、その第２工程において、例えばスキャタロメトリ又はリフレクトメトリを用いて、そのマークの位置に関するオフセットを求めることができ、このオフセットをその第４工程で用いることによって、その物体の位置合わせ（アライメント）を高精度に、かつ効率的に行うことができる。
本発明において、その第２物体が感光材料の塗布された基板である場合、一例としてその第１工程は、その基板上にその感光材料を塗布する直前、その感光材料を塗布した直後、その基板を搬送する経路上、又はその基板を露光する直前に実行される。
【００２１】
また、本発明による露光装置は、露光ビームで第１物体（Ｒ）を照明し、その露光ビームでその第１物体を介して第２物体（Ｗ）を露光する露光装置において、本発明のマーク計測装置（４０Ａ）を備え、そのマーク計測装置を用いて、その第１物体又はその第２物体上のマークの位置に関する情報を求めるものである。本発明によれば、そのマーク計測装置を用いてそのマークの位置に関するオフセットを求めることで、それ以降のその第１物体又は第２物体の位置合わせを高精度に、かつ効率的に行うことができる。
【００２２】
また、本発明による露光システムは、露光ビームで第１物体を照明し、その露光ビームでその第１物体を介して第２物体を露光する露光装置（３５；３５Ａ）と、その第２物体上に感光材料を塗布する塗布装置（３３）と、その塗布装置とその露光装置との間でその第２物体を搬送する搬送装置（３４）とを有する露光システムにおいて、その露光装置、その塗布装置、及びその搬送装置のうちの少なくとも１つの装置が、本発明のマーク計測装置（４０，４９，５０）を備えたものである。
【００２３】
この場合、より正確には、そのマーク計測装置中の分光検出装置の光学系の部分がその露光装置、その塗布装置、及びその搬送装置のうちの少なくとも１つの装置に備えられていればよく、そのマーク計測装置中の信号処理系及び演算装置は、別の場所に設置されていてもよい。本発明によれば、例えばそのマーク計測装置を用いてその第２物体上のマークの位置に関するオフセットを求めることで、それ以降のその第２物体の位置合わせを高精度に、かつ効率的に行うことができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、そのマークの断面形状に関する情報からそのマークの位置に関するオフセットを求めているため、そのオフセットを用いることによって、マーク歪み等の影響を軽減できると共に、複数のマークを計測するときの計測効率も高く維持できる。
また、本発明において、そのオフセットを用いてそれ以降に計測されたマークの位置を補正し、この補正された結果に基づいて物体の位置合わせを行う場合には、実質的にスキャタロメトリ又はリフレクトメトリを用いて、アライメントを高精度にかつ効率的に行うことができる。
【００２５】
また、マークから発生する所定の複数次数の回折光又はそのマークから所定の複数の方向に発生する光をそれぞれ波長別に検出することによって、そのマークの非対称な断面形状をも求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の好ましい第１の実施形態につき図１〜図６を参照して説明する。本例は、スキャタロメトリ(Scatterometry) 方式で被検マークのアライメント時のオフセットを求める場合に、本発明を適用したものである。
図１（Ａ）は本例の露光システムを示し、この図１（Ａ）において、その露光システムは、コータ・デベロッパ３３と、ステッパー等の一括露光型又はスキャニング・ステッパー等の走査露光型の露光装置３５と、搬送系３４（搬送装置）と、不図示のホストコンピュータとを備えている。この場合、コータ・デベロッパ３３は、感光材料としてのフォトレジストを基板としてのウエハ上に塗布するコータ部（塗布装置）と、露光後のウエハ上のフォトレジストを現像する現像部とを含んでいる。また、露光装置３５は、露光ビームでマスク（第１物体）としてのレチクルを照明する照明光学系と、その露光ビームのもとでそのレチクルのパターンの像を基板（第２物体）としてのウエハ上に投影する投影光学系と、レチクル及びウエハを保持してそれぞれ駆動するステージ系と、ウエハ上のアライメントマーク（以下、「ウエハマーク」と言う。）の位置を検出する結像方式のアライメントセンサ１２（通常の光学式のマーク検出系）とを備えている。
【００２７】
本例のアライメントセンサ１２は、例えば特開平７−１８３１８６号公報で開示されているようなＦＩＡ（Field Image Alignment)方式である。露光装置３５の露光光源を除く部分は、内部に温度及び湿度が所定状態に制御され、かつ高度に防塵処理が施された空気が供給されている環境チャンバ内に収納されている。また、搬送系３４は、コータ・デベロッパ３３から露光装置３５にフォトレジストの塗布されたウエハＷを搬送すると共に、露光装置３５からコータ・デベロッパ３３に露光済みのウエハを搬送するウエハローダ系を備えている。
【００２８】
本例では、スキャタロメトリ方式でウエハＷ上のウエハマークの断面形状を求めるために、コータ・デベロッパ３３内に分光反射率検出装置４０（分光検出装置の光学系）が設置されている。図２は、図１（Ａ）のコータ・デベロッパ３３内で分光反射率検出装置４０が使用されている状態を示し、この図２において、ウエハＷは、図１（Ａ）のコータ・デベロッパ３３内のコータ部でフォトレジストが塗布されてから、露光装置３５に搬送される直前のものである。ウエハＷの上面の複数のショット領域にはそれまでのプロセスによってそれぞれ凹凸パターンよりなるウエハマークＷＭが形成されており、そのウエハＷの上面にフォトレジストが塗布されている。本例ではその内の所定の１つのウエハマークＷＭ（被検マーク）を計測対象とする。ウエハマークＷＭは、第１方向に沿って所定ピッチで形成された第１のライン・アンド・スペースパターン（以下、「Ｌ／Ｓパターン」と言う。）と、その第１方向に直交する第２方向に沿って所定ピッチで形成されたＬ／Ｓパターンとを含んでいる。以下、そのウエハＷの載置面に平行な平面内において、その第１方向及び第２方向に沿ってそれぞれＸ軸及びＹ軸を取り、その載置面に垂直な方向にＺ軸を取って説明する。
【００２９】
図４（Ａ）はそのウエハマークＷＭの内でＸ軸に沿って形成されたＬ／ＳパターンよりなるＸ軸マーク６３Ｘの一部の断面形状を示す拡大図であり、図４（Ａ）に示すように、Ｘ軸マーク６３ＸはピッチＰで断面形状がほぼ対称なマークである。Ｘ軸マーク６３Ｘ上にはフォトレジスト６４が塗布されている。一例として、ピッチＰは数１００ｎｍ〜数μｍ程度であり、Ｘ軸マーク６３Ｘの外形は１辺の長さが数μｍ〜数１０μｍ程度の矩形領域である。この場合、ウエハマークＷＭ中でＹ軸を計測方向とするＹ軸マーク（不図示）は、ほぼそのＸ軸マーク６３ＸをＺ軸に平行な軸の周りに９０°回転した形状である。なお、Ｙ軸マークは、Ｘ軸マーク６３ＸをＹ方向に挟むように２箇所に配置される場合、又はこの逆の場合もあり得る。
【００３０】
図２に戻り、ウエハＷは不図示のウエハホルダを介してウエハテーブル４１上に真空吸着によって保持されている。ウエハテーブル４１はＺ方向の位置を制御するためのＺステージ４２上に固定され、Ｚステージ４２はＸＹステージ４３上に固定されている。ＸＹステージ４３は、定盤４４上のほぼ水平で高い平面度を有するガイド面（ＸＹ平面に平行な面）上にＸ方向、Ｙ方向に移動できるように載置されている。ＸＹステージ４３は、駆動モータ及びボールねじ等を含む駆動機構（不図示）によって定盤４４上でＸ方向、Ｙ方向に駆動される。
【００３１】
ウエハテーブル４１（ウエハＷ）のＸ方向、Ｙ方向の位置は、レーザ干渉計４５によって例えば１０〜１ｎｍ程度の分解能で計測されており、ウエハテーブル４１のＺ軸の周りの回転角（ヨーイング量）も計測されている。これらの計測値は装置全体の動作を制御する制御用コンピュータ４８及びステージ駆動系４６に供給されており、ステージ駆動系４６は、その計測値及び制御用コンピュータ４８からの制御情報に基づいて、その駆動機構を介してＸＹステージ４３（ウエハＷ）の位置を制御する。また、ステージ駆動系４６は、制御用コンピュータ４８からの制御情報に基づいてＺステージ４２の高さを制御する。
【００３２】
本例のウエハテーブル４１の上方には、分光反射率検出装置４０が不図示のコラムによって支持されており、分光反射率検出装置４０からの検出信号が信号処理装置５０に供給され、信号処理装置５０で求められた分光反射率（詳細後述）の情報が解析用コンピュータ４９（演算装置）に供給されている。分光反射率検出装置４０及び信号処理装置５０が分光検出装置に対応し、分光反射率検出装置４０、信号処理装置５０、及び解析用コンピュータ４９がマーク計測装置に対応している。解析用コンピュータ４９は、後述のようにウエハマークのオフセットを求め、このオフセットの情報を不図示のホストコンピュータを介して図１（Ａ）の露光装置３５の主制御系（補正装置）に供給する。
【００３３】
図２の分光反射率検出装置４０において、不図示のハロゲンランプ等の白色光源から射出された光が光ファイバ・バンドル５１を介して導かれている。光ファイバ・バンドル５１から射出されて不図示のフィルタ板によって波長選択された３００〜１０００ｎｍ程度の波長域の検出光ＤＬは、コンデンサレンズ５２によって照明視野絞り５３上に集光される。照明視野絞り５３の絞りを通過した検出光ＤＬは、レンズ５４を介してビームスプリッタ５５に入射し、ビームスプリッタ５５で反射された検出光ＤＬは、第１対物レンズ５６を介してウエハＷ上のウエハマークＷＭに垂直に入射する。本例では、予め例えば不図示の撮像装置でウエハマークＷＭの位置を検出しておくことによって、ウエハマークＷＭ中のＸ軸マーク６３Ｘ（図４（Ａ）参照）のほぼ中央に検出光ＤＬが照射されている。この際に、検出光ＤＬは、Ｘ軸マーク６３Ｘ上に照射されればよいだけであるため、レーザ干渉計４５の計測精度としては通常の露光装置で要求される程の精度は必要がない。
【００３４】
この際に、ウエハマークＷＭに照射される検出光ＤＬの光量は、その上のフォトレジストを感光させる恐れの無い低レベルに抑えられている。
また、例えばビームスプリッタ５５を中心としてレンズ５４に対向するようにフォトダイオード等の光電センサ（不図示）が設置され、この光電センサに検出光ＤＬから分岐された一部の光が入射している。この光電センサの検出信号が信号処理装置５０に供給されている。この際に、予めその光電センサの検出信号から検出光ＤＬのウエハＷの上面での光量（例えば不図示の照度計等で計測される値）を求めるための換算係数が求められており、その換算係数が信号処理装置５０内の記憶部に格納されている。信号処理装置５０内の演算処理部では、その光電センサの検出信号とその換算係数とを用いて、検出光ＤＬのウエハＷ上での光量（例えば照度）を随時求めることができる。
【００３５】
そして、所定の回折光としてのウエハＷのウエハマークＷＭからの正反射光６２Ａ、＋１次回折光６２Ｂ、及び−１次回折光６２Ｃのみが、第１対物レンズ５６及びビームスプリッタ５５を経て開口絞り５７を通過して第２対物レンズ５８に至る。第１対物レンズ５６、ビームスプリッタ５５、開口絞り５７、及び第２対物レンズ５８よりなる受光光学系の光軸ＢＸは、Ｚ軸に平行である。この場合、ウエハマークＷＭでの回折及び反射によって計測方向（ここではＸ方向）に発生する±２次以上の回折光は、第１対物レンズ５６には入射しないか、又は開口絞り５７で遮光される。このように本例は、正反射光（０次光）及び±１次回折光のみを検出できればよいため、第１対物レンズ５６及び第２対物レンズ５８としては、開口数（ＮＡ）が比較的小さい簡単な光学系を使用することができる。
【００３６】
なお、ウエハマークＷＭの断面形状が計測方向に対称である場合に、その断面形状を求めるためには、ウエハマークＷＭからの正反射光６２Ａのみを検出すればよい。このように被検マークからの正反射光のみを検出するスキャタロメトリ技術は、リフレクトメトリ(Reflectometry) とも呼ぶことができる。また、そのように正反射光６２Ａのみを検出する場合には、第１対物レンズ５６及び第２対物レンズ５８の開口数（ＮＡ）は例えば０．１程度まで小さくできるため、更に光学系を簡素化することができる。
【００３７】
開口絞り５７を通過した光の内の正反射光６２Ａは、第２対物レンズ５８によって集光されて、Ｙ方向に所定ピッチで形成された回折格子５９Ａ（分光光学系）を経て、１次元のＣＣＤ型等の撮像素子６０Ａ（光電センサ）の撮像面に回折パターンを形成する。また、開口絞り５７を通過した光の内の±１次回折光６２Ｂ及び６２Ｃは、第２対物レンズ５８によって集光されて、それぞれミラー６１Ａ及び６１Ｂで反射された後、回折格子５９Ａと同様の回折格子５９Ｂ及び５９Ｃを経て、撮像素子６０Ａと同様の撮像素子６０Ｂ及び６０Ｃの撮像面に回折パターンを形成する。回折格子５９Ａ〜５９Ｃとしては、回折効率を高めるために位相型の回折格子、例えばブレーズド型の回折格子が望ましい。
【００３８】
図３は、図２の分光反射率検出装置４０の要部をＸ方向に見た側面図であり、この図３において、第２対物レンズ５８によって集光された正反射光６２Ａは、回折格子５９Ａでの例えば１次の回折によってＹ方向に波長別のＪ個の光束７４j(ｊ＝１〜Ｊ）に分光される。検出光ＤＬ（正反射光６２Ａ）の波長域をλ１〜λ２とすると、そのＪ個の光束７４j の中心波長λｊ 及び分割幅Δλは近似的に次のようになる。
【００３９】
λｊ＝λ１＋（ｊ−１）Δλ        …（１）
Δλ＝（λ２−λ１）／（Ｊ−１）  …（２）
本例の波長域は３００〜１０００ｎｍであり、波長の分割数Ｊを例えば２０〜２００程度とすると、波長の分割幅Δλは３５〜３．５ｎｍ程度である。そして、分光されたＪ個の光束７４j はそれぞれ撮像素子６０Ａの対応するｊ番目の画素７１j に入射して光電変換される。従って、本例の撮像素子６０Ａ（及び撮像素子６０Ｂ，６０Ｃ）は、Ｊ個以上の画素が一次元的に配列されたものである。各画素７１j （ｊ＝１〜Ｊ）で光電変換された検出信号は、順次図２の信号処理装置５０内でアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換されて第１メモリに格納される。
【００４０】
同様に、図２の第２対物レンズ５８によって集光された±１次回折光６２Ｂ及び６２Ｃは、それぞれミラー６１Ａ及び６１Ｂで反射された後、回折格子５９Ｂ及び５９Ｃでの例えば１次の回折によってＹ方向に波長別のＪ個の光束に分光される。そして、このように分光された２組のＪ個の光束は、撮像素子６０Ｂ及び６０Ｃの対応する画素で光電変換された後、信号処理装置５０内でＡ／Ｄ変換されてその第１メモリに格納される。本例では、光ファイバ・バンドル５１から撮像素子６０Ａ〜６０Ｃまでの部材、及びミラー６１Ａ，６１Ｂより分光反射率検出装置４０が構成されている。
【００４１】
また、図２において、予めウエハＷの代わりに例えば高反射率の平板（基準板）を設置して、検出光ＤＬの光量を所定レベルに設定した状態で、撮像素子６０Ａの各画素の検出信号が信号処理装置５０内に取り込まれてＡ／Ｄ変換されている。そして、そのＡ／Ｄ変換して得られた値を、その検出光ＤＬの光量に対応する値で除算して得られた値が、検出光ＤＬの波長λｊ （ｊ＝１〜Ｊ）毎の相対レベルを示すデータとして第２メモリに格納されている。そこで、信号処理装置５０内の演算処理部では、検出光ＤＬの今回の光量にその第２メモリから読み出した相対レベルを乗ずることによって、検出光ＤＬの波長λｊ （ｊ＝１〜Ｊ）毎の光量に対応する値を求める。次に、その演算処理部では、その第１メモリに格納されている３列の各画素の検出信号をその検出光ＤＬの波長λｊ毎の光量に対応する値で除算することによって、正反射光６２Ａ（０次光）、＋１次回折光６２Ｂ、及び−１次回折光６２Ｃのそれぞれにおいて、Ｊ個の波長λｊ毎の反射率である分光反射率Ｒ１（λ），Ｒ２（λ），及びＲ３（λ）を求める。この３組の分光反射率Ｒ１（λ）〜Ｒ３（λ）のデータは、信号処理装置５０内の第３メモリに格納される。このように分光反射率検出装置４０の検出信号を用いて被検マークからの光の分光反射率を求める動作は、第１工程とみなすことができる。
【００４２】
図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の曲線７１Ａ，７１Ｂ，及び７１Ｃはそれぞれ、上記のようにして計測されたウエハマークＷＭ（より正確には図４（Ａ）のＸ軸マーク６３Ｘ）からの正反射光、＋１次回折光、及び−１次回折光に対する分光反射率の一例を示し、この図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において、横軸は検出光ＤＬの波長λ（ｎｍ）の一部（３００〜８００ｍ）、縦軸はその波長λでの反射率Ｒ１（λ），Ｒ２（λ），Ｒ３（λ）を表している。実際には波長λに関しては分割幅Δλで分割された複数の波長λｊでの反射率Ｒ（λｊ）が計測されるため、曲線７１Ａ〜７１Ｃはその離散的な計測値を補間したものである。
【００４３】
次に、そのようにして求められた３組の分光反射率Ｒ１（λ）〜Ｒ３（λ）のデータは、図２の信号処理装置５０から解析用コンピュータ４９に供給される。解析用コンピュータ４９（演算装置）では、３組の分光反射率Ｒ１（λ）〜Ｒ３（λ）のデータを用いてスキャタロメトリ方式で、次のようにして図４（Ａ）のＸ軸マーク６３Ｘ（ウエハマークＷＭの一部）の断面形状を近似的に求める。更に、解析用コンピュータ４９では、そのようにして求めた断面形状から、そのＸ軸マーク６３Ｘの位置を図１（Ａ）のアライメントセンサ１２（マーク検出系）で計測するときのオフセットを求める。これらの一連の動作は、第２工程とみなすことができる。
【００４４】
先ず、図４（Ａ）に示すように、Ｘ軸マーク６３Ｘの断面形状が対称であることが予め分かっている場合、又はその断面形状をほぼ対称であると仮定してもよい場合の動作につき、次の計算工程（１）〜オフセット決定工程（１）に分けて説明する。この場合には、図２において、ウエハマークＷＭからの正反射光６２Ａのみを使用するだけで、その断面形状を求めることができる。
【００４５】
［計算工程（１）］
ここでは、図４（Ａ）のＸ軸マーク６３ＸのピッチＰの範囲（Ｘの値が０〜Ｐの範囲とする）内の断面６６を、図６（Ａ）に示すように、ウエハＷよりなる基板６５Ｈ上の複数（ここでは６層）の中間層６５Ｂ〜６５Ｇの開口パターンの集合体であると仮定する。この場合、その上に更にフォトレジスト６４よりなる感光層６５Ａが形成されている。また、感光層６５Ａ、中間層６５Ｂ〜６５Ｇ、及び基板６５Ｈの波長λｊ（ｊ＝１〜Ｊ）毎の屈折率及び透過率の値、並びに中間層６５Ｂ〜６５Ｇの厚さは既知で、それらの値は解析用コンピュータ４９内の記憶部に格納されているものとする。この条件下で、中間層６５Ｂからの感光層６５Ａの厚さをｄ１、中間層６５Ｂから中間層６５Ｇまでの各層がそれぞれ開口となる位置のＸ座標をｘ１，ｘ２，…，ｘ６とすると、これらの厚さｄ１及びＸ座標ｘｉ（ｉ＝１〜６）が、その断面６６の形状を規定する所定のパラメータとなる。
【００４６】
また、ここでは断面６６はＸ方向に対称であると仮定しているため、Ｘ座標ｘｉの値は次のように０からＰ／２までの範囲の値である。
０≦ｘｉ≦Ｐ／２（ｉ＝１〜６）              …（３）
このとき、例えば中間層６５Ｂの開口が終わる位置のＸ座標ｘ１１は、次のように中心点（Ｘ＝Ｐ／２）に関してＸ座標ｘ１に対して対称となるため、別個のパラメータとする必要はない。他のＸ座標ｘ２〜ｘ６についても同様である。
【００４７】
ｘ１１＝Ｐ／２＋（Ｐ／２−ｘ１）＝Ｐ−ｘ１  …（４）
次に、上記の各パラメータを初期値に設定する。そのためには、一例として感光層６５Ａの厚さｄ１を設計上の厚さｄ０として、中間層６５Ｂ〜６５Ｇの開口の位置ｘｉをＰ／４（即ち、ラインとスペースとの比が１：１）とする。
その後、計算上の検出光ＤＬの波長を上記（１）式の波長λｊの初期値（＝λ１）に設定して、その波長λ１で光量が１の光が図６（Ａ）の断面６６を持つマークに垂直に入射した場合の感光層６５Ａの表面Ａ、中間層６５Ｂ〜６５Ｇの表面Ｂ〜Ｇ、及び基板６５Ｈの表面Ｈでの正反射光（０次光）の光量の和を計算する。具体的に、上記のように、感光層６５Ａ、中間層６５Ｂ〜６５Ｇ、及び基板６５Ｈの波長λｊ（ｊ＝１〜Ｊ）毎の屈折率及び透過率の値、並びに中間層６５Ｂ〜６５Ｇの厚さが既知であるため、これらの値を用いて感光層６５Ａの上面Ａ、中間層６５Ｂ〜６５Ｇの上面Ｂ〜Ｇ、及び基板６５Ｈの上面Ｈで正反射される波長λ１の光のうちで、実際に上面Ａの上方に向かう光の光量を計算すればよい。このように計算される光量、即ち波長λ１の光に対する反射率ＲＣ１（λ１）は、上記のパラメータ（厚さｄ０、及び開口のＸ座標ｘｉ（＝Ｐ／４））の関数である。
【００４８】
次に、波長λ１に順次（２）式の分割幅Δλを加算して得られる波長（λ１＋Δλ），（λ１＋２・Δλ），…の光についても、同様にして図６（Ａ）のマークに対する反射率ＲＣ１（λ１＋Δλ），ＲＣ１（λ１＋２・Δλ），…を計算することによって、図５（Ａ）の点列７２Ａで示すように、計算上の分光反射率ＲＣ１（λｊ）（ｊ＝１〜Ｊ）を求める。この分光反射率ＲＣ１（λｊ）が波長別の強度分布に対応する。なお、このように所定のパラメータを仮定して分光反射率を計算する方法の詳細は、例えば文献(J. L. Opsal, H. Chu, and Y. Wen, "Fundamental solutions for real-time optical CD metrology", Metrology Inspection, and Process Control for Microlithography XVI, D. Herr, Ed., Vol. 4689, p. 163-176, SPI, Bellingham, 2002)にも開示されている。
【００４９】
［選択工程（１）］
ここでは、一例として、図５（Ａ）の曲線７１Ａの実測された分光反射率Ｒ１（λｊ）と点列７２Ａの計算された分光反射率ＲＣ１（λｊ）との各波長λｊ（ｊ＝１〜Ｊ）毎の差分の自乗和を、計算誤差Ｅ（ｄ０，ｘｉ（＝Ｐ／４））として求める。次に、感光層６５Ａの厚さｄ１を次第に所定ステップ量ｋ・Δｄだけ変化させて、それぞれ上記の計算工程（１）を実行して分光反射率ＲＣ１（λｊ）を計算した後、計算誤差Ｅ（ｄ０＋ｋ・Δｄ，ｘｉ）（ｋ＝±１，±２，…）を求める。そして、計算誤差Ｅが最も小さくなるときのｋの値ｋ’（ここではｋ’＝０も含まれる）を選択する。これによって、感光層６５Ａの厚さｄ１は次のように決定される。
【００５０】
ｄ１＝ｄ０＋ｋ’・Δｄ    …（５）
次に、この決定された厚さｄ１の値を用いて、図６（Ａ）の層６５Ｂの開口のＸ座標ｘ１の値をＰ／４に対して所定ステップ量ｋ・Δｘだけ変化させて、上記の計算工程（１）を実行して分光反射率ＲＣ１（λｊ）を計算した後、計算誤差Ｅ（ｄ１，ｘ１＝Ｐ／４＋ｋ・Δｘ，ｘｉ）（ｋ＝０，±１，±２，…；ｉ＝２〜６）を求める。そして、計算誤差Ｅが最も小さくなるときのｋの値ｋ’を選択する。これによって、Ｘ座標ｘ１は次のように決定される。
【００５１】
ｘ１＝Ｐ／４＋ｋ’・Δｘ  …（６）
同様にして、他の層６５Ｃ〜６５Ｇについても、順次開口のＸ座標ｘ２〜ｘ６の値を次第に変えながらそれぞれ上記の計算工程（１）を実行して、計算誤差Ｅが最も小さくなるときの値を選択すればよい。これによって、図６（Ａ）に示すように、厚さｄ１及びＸ座標ｘ１〜ｘ６の値が決定されて、その断面６６の形状が決定される。
【００５２】
なお、より計算精度を向上するためには、一度それらの厚さｄ１及びＸ座標ｘ１〜ｘ６の値を決定した後、再び厚さｄ１及びＸ座標ｘ１〜ｘ６の値を僅かに変化させながらそれぞれ上記の計算工程を実行して、その計算誤差Ｅが最も小さくなるときの値を選択してもよい。これによって、計算された分光反射率ＲＣ１（λｊ）が更に実測された分光反射率Ｒ１（λｊ）に近づくように、それらのパラメータの値（被検マークの断面形状）を決定することができる。
【００５３】
但し、仮に感光層６５Ａの厚さｄ１が予めほぼ正確に求められている場合には、その厚さｄ１をその求められている値に固定して、パラメータの数を減らしてもよい。これによって、計算時間を短縮することができる。逆に、例えば中間層６５Ｂ〜６５Ｇの内の所定の層の厚さもパラメータに加えるなどして、パラメータの数を増加させてもよい。これによって、断面形状の計算精度が向上する場合がある。上記の計算工程（１）及び選択工程（１）のように、所定のパラメータを設定し、計算された分光反射率が計測された分光反射率にできるだけ近づくようにそのパラメータの値を決定する処理を、以下では「スキャタロメトリ解析」と呼ぶ。
【００５４】
［予測工程（１）］
この工程では、上記の工程で決定された厚さｄ１及びＸ座標ｘ１〜ｘ６の値を用いて、図６（Ａ）の断面６６のマーク、ひいては図４（Ａ）のＸ軸マーク６３Ｘの１つのスペース部を図１（Ａ）のアライメントセンサ１２で検出するときの位置を予測する。この例の断面６６は対称であるため、アライメントセンサ１２で検出されるそのマーク（スペース部）のＸ方向の位置は、その対称の中心であるＸ＝Ｐ／２の位置となる。
【００５５】
［オフセット決定工程（１）］
この工程では、一例として、上記の工程で予測されたそのアライメントセンサ１２を用いて図６（Ａ）の断面６６のマークを計測するときのＸ方向の位置と、その断面６６中の所定の層（例えば中間層６５Ｃ等）のマーク（開口部）の位置との位置ずれを求める。この位置ずれ量が、そのアライメントセンサ１２を用いて図４（Ａ）のＸ軸マーク６３Ｘの位置を計測するときのオフセットに対応する。この例では、図６（Ａ）の断面６６は対称であり、各中間層６５Ｂ〜６５Ｇの開口（各層のマーク）の位置と、その断面６６全体としての位置とは等しいため、そのオフセットは０となる。
【００５６】
但し、より高精度にオフセットを求めるために、上記のパラメータ（厚さｄ１、Ｘ座標ｘ１〜ｘ６）の値の組み合わせの異なるマーク毎に実際にアライメントセンサ１２を用いて位置検出を行った結果に基づいて重ね合わせ露光を行って、現像後に重ね合わせ誤差を計測してもよい。この場合、計測された重ね合わせ誤差がオフセットとなり、一例としてこのオフセットが上記の互いに値の組み合わせの異なる複数の組のパラメータ（厚さｄ１、Ｘ座標ｘ１〜ｘ６）に対するテーブルとして記憶される。この場合、上記の選択工程（１）で決定されたパラメータの組がそのテーブルに無いときには、そのテーブル内のデータの補間によって対応するオフセットを求めても良い。ここでは、そのようにして求めた図６（Ａ）のＸ方向のオフセットをΔｘ１とする。
【００５７】
なお、ウエハマークＷＭには、Ｘ軸マークの他にＹ軸マークも含まれているが、両者の断面形状はほぼ同じと考えられるため、Ｘ軸マークのオフセットをＹ軸マークのオフセットとして用いてもよい。但し、例えば図２においてウエハＷを９０°回転して、Ｙ軸マークについて上記の分光反射率の計測、及びスキャタロメトリ解析を行ってその断面形状を求め、それに基づいてオフセットを別途求めてもよい。そのオフセットΔｘ１（及びＹ軸マークのオフセット）の情報は、図２の解析用コンピュータ４９から不図示のホストコンピュータを介して図１（Ａ）の露光装置３５の主制御系（補正装置）に供給される。
【００５８】
次に、図１（Ａ）において、オフセット計測の終わったウエハＷは、搬送系３４を介して露光装置３５のウエハステージ（不図示）上にロードされる。そして、アライメントセンサ１２によってウエハＷ上の所定個数のウエハマークの座標が計測される（第３工程）。次に、そのアライメントセンサ１２の計測値が上記のオフセットを用いて補正され、この補正後の計測値に基づいてウエハＷのアライメントが行われ、この結果に基づいてウエハＷ上の各ショット領域にレチクルのパターンの像が重ね合わせて露光される（第４工程）。この際に、本例では、ウエハマークＷＭの断面形状を求めて、そのマークをアライメントセンサ１２で計測するときのオフセットを求めているため、ウエハＷのアライメント精度が向上し、重ね合わせ精度等も向上する。
【００５９】
なお、本例では図６（Ａ）において、断面６６の感光層６５Ａの厚さｄ１、及び中間層６５Ｂ〜６５Ｇにおける開口の位置ｘ１〜ｘ６が求められる。そこで、これらの値が設計値に対してずれている場合に、対応する工程に対してそのずれ量を補正するように補正指令を発するようにしてもよい。これによって、デバイスをより高精度に製造することが可能となる。
【００６０】
これまでの動作は、Ｘ軸マーク６３Ｘの断面形状が対称である場合の動作である。しかしながら、ウエハマークＷＭは実際には或る程度の非対称性を有しているため、より高精度にウエハマークＷＭの断面形状を求めるためには、その断面形状が非対称であることを前提とすることが望ましい。ここでは、図２の分光反射率検出装置４０による計測対象は、図４（Ｂ）に示すように、ウエハマークＷＭ中のピッチＰで断面形状が計測方向（Ｘ方向）に非対称のＸ軸マーク６３ＸＡであるとする。この場合には、図２において、ウエハマークＷＭからの正反射光６２Ａの他に、±１次回折光６２Ｂ，６２Ｃも使用する必要がある。以下、上記の計算工程（１）〜オフセット決定工程（１）に対応させて、非対称な断面形状を求めて、その場合のオフセットを求める動作の一例につき説明する。
【００６１】
［計算工程（２）］
ここでは、図４（Ｂ）のＸ軸マーク６３ＸＡのピッチＰの範囲内の断面６６Ａを、図６（Ｂ）に示すように、基板６５Ｈ（ウエハＷ）上の複数の中間層（ここでは６層）６５Ｂ〜６５Ｇの開口パターンの集合体であると仮定する。この場合も、その上に感光層６５Ａ（フォトレジスト６４）が形成されている。また、図６（Ａ）の場合と同様に、感光層６５Ａ、中間層６５Ｂ〜６５Ｇ、及び基板６５Ｈの波長λｊ（ｊ＝１〜Ｊ）毎の屈折率及び透過率の値、並びに中間層６５Ｂ〜６５Ｇの厚さは既知とする。この条件下で、感光層６５Ａの厚さをｄ１、中間層６５Ｂから中間層６５Ｇまでの各層がそれぞれ開口となる位置のＸ座標をｘ１，ｘ２，…，ｘ６として、その各開口が終わる位置のＸ座標をｘ１１，ｘ１２，…，ｘ１６とすると、これらの厚さｄ１及びＸ座標ｘｉ，ｘ１ｉ（ｉ＝１〜６）が、その断面６６Ａの形状を規定する所定のパラメータとなる。Ｘ座標ｘｉ，ｘ１ｉは次の条件を満たす必要がある。
【００６２】
０≦ｘｉ≦ｘ１ｉ≦Ｐ（ｉ＝１〜６）  …（７）
次に、上記の各パラメータを初期値に設定する。そのためには、一例として感光層６５Ａの厚さｄ１を設計上の厚さｄ０として、中間層６５Ｂ〜６５Ｇの開口の開始位置ｘｉをＰ／４、終了位置ｘ１ｉを３Ｐ／４（即ち、ラインとスペースとの比が１：１）とする。
その後、計算上の検出光ＤＬの波長を上記（１）式の波長λｊの初期値（＝λ１）に設定して、計算工程（１）と同様に、その波長λ１で光量が１の光が図６（Ｂ）の断面６６Ａを持つマークに垂直に入射した場合の感光層６５Ａの上面Ａ、中間層６５Ｂ〜６５Ｇの上面Ｂ〜Ｇ、及び基板６５Ｈの上面Ｈでの正反射光６２Ａの光量の和（反射率）ＲＣ１（λ１）を計算する。更に、本例では、その波長λ１で光量が１の光がその断面６６Ａを持つマークに垂直に入射した場合の、上面Ａ〜Ｈでの＋１次回折光６２Ｂの光量の和（反射率）ＲＣ２（λ１）、及び−１次回折光６２Ｃの光量の和（反射率）ＲＣ３（λ１）を計算する。このように計算される反射率ＲＣ１（λ１），ＲＣ１（λ１），ＲＣ１（λ１）は、上記のパラメータ（厚さｄ０、及び開口のＸ座標ｘｉ（＝Ｐ／４），ｘ１ｉ（＝３Ｐ／４））の関数である。
【００６３】
次に、波長λ１に順次（２）式の分割幅Δλを加算して得られる波長（λ１＋Δλ），（λ１＋２・Δλ），…の光についても、同様にして図６（Ｂ）のマークに対する反射率ＲＣ１（λ１＋ｒ・Δλ），ＲＣ２（λ１＋ｒ・Δλ），ＲＣ（λ１＋ｒ・Δλ）（ｒ＝１，２，…）を計算する。これによって、図５（Ａ）の点列７２Ａ、図５（Ｂ）の点列７２Ｂ、及び図５（Ｃ）の点列７２Ｃで示すように、計算上の正反射光の分光反射率ＲＣ１（λｊ）、及び±１次回折光の分光反射率ＲＣ２（λｊ），ＲＣ３（λｊ）（ｊ＝１〜Ｊ）（波長別の強度分布）が求められる。なお、正反射光の分光反射率ＲＣ１（λｊ）に対して、図５（Ｂ）及び（Ｃ）の点列７２Ｂ及び７２Ｃで示すように、±１次回折光の分光反射率ＲＣ２（λｊ），ＲＣ３（λｊ）の計算の間隔（波長幅）を広くすることも可能である。これによって計算量の大幅な増加を避けることができると共に、分光反射率Ｒ２（λ），Ｒ３（λ）の計測の間隔も広くできるため、図２の分光反射率検出装置４０中の±１次回折光６２Ｂ，６２Ｃの検出系（回折格子５９Ｂ，５９Ｃ及び撮像素子６０Ｂ，６０Ｃ等）の構成を簡素化することができる。
【００６４】
［選択工程（２）］
ここでは、一例として、図５（Ａ）〜（Ｃ）の曲線７１Ａ〜７１Ｃの実測された分光反射率Ｒ１（λｊ），Ｒ２（λｊ），Ｒ３（λｊ）と点列７２Ａ〜７２Ｃの計算された分光反射率ＲＣ１（λｊ），ＲＣ２（λｊ），ＲＣ３（λｊ）との各波長λｊ（ｊ＝１〜Ｊ）毎のそれぞれの差分の自乗和を、計算誤差Ｅ（ｄ０，ｘｉ（＝Ｐ／４），ｘ１ｉ（＝３Ｐ／４））として求める。次に、感光層６５Ａの厚さｄ１を次第に所定ステップ量ｋ・Δｄだけ変化させて、それぞれ上記の計算工程（２）を実行して分光反射率ＲＣ１（λｊ），ＲＣ２（λｊ），ＲＣ３（λｊ）を計算して、計算誤差Ｅが最も小さくなるときのｋの値ｋ’（ここではｋ’＝０も含まれる）を選択する。これによって、感光層６５Ａの厚さｄ１が決定される。
【００６５】
次に、この決定された厚さｄ１の値を用いて、図６（Ｂ）の中間層６５Ｂの開口のＸ座標ｘ１の値をＰ／４に対して所定ステップ量ｋ・Δｘだけ変化させて、上記の計算工程（２）を実行して分光反射率ＲＣ１（λｊ），ＲＣ２（λｊ），ＲＣ３（λｊ）を計算して、計算誤差Ｅが最も小さくなるときのｋの値ｋ’を選択する。これによって、Ｘ座標ｘ１の値も決定される。同様にして、開口が終わる位置のＸ座標ｘ１１については、その値を３Ｐ／４に対して次第に変化させたときに、計算誤差Ｅが最も小さくなるときの値として決定することができる。同様にして、他の中間層６５Ｃ〜６５Ｇについても、順次開口のＸ座標ｘ２〜ｘ６，ｘ１２〜ｘ１６の値を次第に変えながらそれぞれ上記の計算工程（２）を実行して、計算誤差Ｅが最も小さくなるときの値を選択すればよい。これによって、図６（Ｂ）に示すように、厚さｄ１及びＸ座標ｘ１〜ｘ６，ｘ１１〜ｘ１６の値が決定されて、その断面６６Ａの形状が決定される。
【００６６】
なお、より計算精度を向上するためには、一度それらの厚さｄ１及びＸ座標ｘ１〜ｘ６，ｘ１１〜ｘ１６の値を決定した後、再び厚さｄ１及びＸ座標ｘ１〜ｘ６，ｘ１１〜ｘ１６の値を僅かに変化させながらそれぞれ上記の計算工程を実行して、その計算誤差Ｅが最も小さくなるときの値を選択してもよい。但し、仮に感光層６５Ａの厚さｄ１が予めほぼ正確に求められている場合には、その厚さｄ１をその求められている値に固定して、パラメータの数を減らしてもよい。
【００６７】
また、ここでは正反射光（０次光）６２Ａの他に、±１次回折光６２Ｂ，６２Ｃを検出しているが、例えば正反射光６２Ａの他に＋１次回折光６２Ｂ（又は−１次回折光６２Ｃ）のみを検出し、この検出結果を用いてスキャタロメトリ解析を行ってもよい。これによっても、ウエハマークの非対称な断面形状を求めることが可能である。更に、正反射光６２Ａを用いることなく、±１次回折光６２Ｂ，６２Ｃのみを検出し、この検出結果を用いてスキャタロメトリを行ってもよい。更に、断面形状をより高精度に求めるために、正反射光及び±１次回折光に加えて±２次以上の高次の回折光を検出し、これらの検出結果を用いてスキャタロメトリ解析を行ってもよい。
【００６８】
［予測工程（２）］
この工程では、上記の工程で決定された厚さｄ１及びＸ座標ｘ１〜ｘ６，ｘ１１〜ｘ１６の値を用いて、図６（Ｂ）の断面６６Ａのマーク、ひいては図４（Ｂ）のＸ軸マーク６３ＸＡの１つのスペース部を図１（Ａ）のアライメントセンサ１２で検出するときの位置を予測する。最も単純なモデルとしては、次式のようにアライメントセンサ１２でそのマークを検出したときの−Ｘ方向のエッジ位置ｘＬを最上層の開口のＸ座標ｘ１と最下層の開口のＸ座標ｘ６との中間値として、＋Ｘ方向のエッジ位置ｘＲを最上層の開口のＸ座標ｘ１１と最下層の開口のＸ座標ｘ１６との中間値とすることである。
【００６９】
ｘＬ＝（ｘ１＋ｘ６）／２          …（８）
ｘＲ＝（ｘ１１＋ｘ１６）／２      …（９）
従って、アライメントセンサ１２で検出されるそのマーク（スペース部）のＸ方向の位置ｘＣは、次のようにそれらのエッジ位置の中央の値となる。
ｘＣ＝（ｘＬ＋ｘＲ）／２＝（ｘ１＋ｘ１１＋ｘ６＋ｘ１６）／４  …（１０）
なお、このモデルの他に、例えば上層の開口の位置ほど高い重みをつけてそのマーク位置ｘＣを計算するモデルや、更にはその断面形状に基づいてアライメントセンサ１２で結像されるマーク像の光量分布を計算するモデルなども使用することができる。
なお、上述のスキャタロメトリ解析によりマーク構造（図６の各レイヤー（層）の開口位置のエッジパラメータ）を特定した後でマークの左右の各エッジ位置（ｘＬ，ｘＲ）を算出する際に、使用者の所望の（重ね合わせをしたい）レイヤーにおけるマークの開口位置を用いてエッジ位置を計算するようにしても良い。例えば、プロセスプログラム上で、次の露光レイヤーは図５のレイヤー６５Ｃに対して高精度に重ね合わせさせたいことが予め判っている場合には、エッジパラメータｘ２をマークの左エッジとして決定するようにしたり、あるいは、エッジパラメータとしては全て（ｘ１〜ｘ６）を計算上使うけれども、そのうちのｘ２の重みを大きくして重み付け平均演算をするようにしても良い。
【００７０】
［オフセット決定工程（２）］
この工程では、一例として、上記の工程で予測されたそのアライメントセンサ１２を用いて図６（Ｂ）の断面６６Ａのマークを計測するときのＸ方向の位置ｘＣと、その断面６６Ａ中の所定の中間層（例えば中間層６５Ｃとする）のマーク（開口部）の位置（ｘ２＋ｘ１２）／２との位置ずれを求める。この位置ずれΔｘ２は、次のようになる。
【００７１】
Δｘ２＝（ｘ２＋ｘ１２）／２−ｘＣ  …（１１）
この位置ずれΔｘ２が、そのアライメントセンサ１２を用いて図４（Ｂ）のＸ軸マーク６３ＸＡの位置を計測するときのオフセットに対応する。このオフセットΔｘ２の情報も図２の解析用コンピュータ４９から不図示のホストコンピュータを介して図１（Ａ）の露光装置３５の主制御系（補正装置）に供給されて、アライメントセンサ１２の計測値の補正に用いられる。なお、この場合にも、実際にアライメントセンサ１２を用いて位置検出を行った結果に基づいて重ね合わせ露光を行って、現像後に重ね合わせ誤差を計測し、この計測結果に基づいてそのオフセットを決定してもよい。
【００７２】
このように本例では、スキャタロメトリ解析を行ってウエハマークＷＭの断面形状を求めているため、従来はテストプリントを行って確認する以外に適当な方法の無かったアライメントセンサ１２のオフセットを、ウエハの搬送経路上で迅速に求めることができる。更に、その断面形状には感光層の厚さやウエハ上の各層のマーク形状（幅及び中心位置）も含めることができるため、それらの情報を前の工程にフィードバックすることによって、デバイスをより高精度に製造できる。
【００７３】
また、分光検出装置としての分光反射率検出装置４０中の結像光学系は比較的小さい開口数の簡単な構成の光学系を使用することができる。しかも、その計測結果には、その結像光学系の収差の影響は殆どない。また、ウエハマークからの反射光又は回折光をそのまま受光して分光しているため、仮に計測中に図２のＸＹステージ４３の振動等があっても、その計測結果は殆ど影響を受けないという利点もある。なお、本例の分光反射率検出装置４０は、デジタル方式で離散的な波長毎の反射率を求めているが、例えば図２の撮像素子６０Ａ〜６０Ｃの代わりにフォトダイード等の光電センサを用いて、回折格子５９Ａ〜５９Ｃを次第に回転して分光を行うアナログ方式の分光反射率検出装置を使用してもよい。
【００７４】
なお、上記の実施形態では、図１（Ａ）のコータ・デベロッパ３３内でフォトレジストが塗布された後のウエハＷ上のウエハマークＷＭの断面形状を求めている。しかしながら、図４（Ｃ）に示すように、フォトレジストが塗布される直前の段階で、ウエハＷ上のウエハマークＷＭ（Ｘ軸マーク６３ＸＡ）に図２の分光反射率検出装置４０から検出光ＤＬを照射して、スキャタロメトリ解析によってそのウエハマークＷＭの断面形状を求めてもよい。この場合には、フォトレジストが無いため、その断面形状をより正確に求めることができる。また、レジストを塗布した後にも、同じウエハマークＷＭ（６３ＸＡ）の断面形状を再度スキャタロメトリ解析によって求めるようにしておき、マーク上のレジストプロファイル（厚み、うねり等）については、この（レジスト塗布後の）スキャタロメトリ解析の結果に基づいて求めるようにしても良い。
【００７５】
また、上記の実施形態では、図１（Ａ）に示すように、分光反射率検出装置４０をコータ・デベロッパ３３内に設置しているが、その構成の他に図１（Ｂ）に示すように、分光反射率検出装置４０を搬送系３４の内部又はその近傍に設置してもよく、図１（Ｃ）又は図１（Ｄ）に示すように、分光反射率検出装置４０を露光装置３５又は露光装置３５Ａ内（露光装置を囲む環境チャンバ内）に設置してもよい。即ち、分光反射率検出装置４０は、ウエハがレチクルのパターン像の露光位置に配置されるまでの搬送経路に沿った任意の位置に配置することができる。
【００７６】
また、図１（Ｄ）の例は、２台のウエハステージ８Ａ及び８Ｂを備えたダブル・ウエハステージ方式の露光装置３５Ａに分光反射率検出装置４０を備えたものである。この方式では、一方のウエハステージ８Ａ（又は８Ｂ）上のウエハＷ１に対して投影光学系ＰＬを介して露光を行っている間に、他方のウエハステージ８Ｂ（又は８Ａ）上のウエハＷ２に対してアライメントセンサ１２によってウエハマークの位置を検出してアライメントを行うことができるため、露光工程のスループットが向上する。この例では更に、投影光学系ＰＬとアライメントセンサ１２との間に分光反射率検出装置４０が配置されている。そこで、例えばアライメントセンサ１２による計測が終了して、投影光学系ＰＬの下方に移動するウエハステージ８Ｂ上のウエハＷ２の所定のウエハマークに分光反射率検出装置４０から検出光を照射して、スキャタロメトリ解析によってオフセットを求め、先のアライメントセンサ１２による計測結果を補正することによって、スループットを殆ど低下させることなく、アライメント精度を向上できる。この場合、分光反射率検出装置４０を用いてスキャタロメトリ解析を行うのは、例えば１ロットの先頭から１枚又は数枚のウエハとすることによって、更にスループットの低下を抑制することができる。
【００７７】
次に、本発明の第２の実施形態につき図７〜図１０を参照して説明する。本例は、露光装置に備えられたアライメントセンサ内に分光反射率検出装置を組み入れた（計測系の一部光路（１７〜２３）を兼用した）ものである。このような構成とすることで、アライメントセンサ１２（撮像素子２９，３１）でのマーク検出動作と並行して（同時に）分光反射率検出装置４０Ａでの分光反射率検出動作を行うことができる。
図７は、本例で使用される走査露光型の投影露光装置を示し、この図７において、露光時には、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）又はＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）よりなるエキシマレーザ光源等の露光光源（不図示）から供給された露光ビームとしての露光光ＩＬは、照明光学系１を介してマスクとしてのレチクルＲのパターン面の細長い照明領域を均一な照度分布で照明する。照明光学系１は、照度分布均一化用のオプティカル・インテグレータ、照明領域を規定する視野絞り（レチクルブラインド）、及びコンデンサレンズ系等から構成されている。
【００７８】
そして、露光光ＩＬのもとで、レチクルＲ上の回路パターンの一部の像が、両側テレセントリックな投影光学系ＰＬを介して投影倍率β（βは１／５，１／４等）で、ウエハＷ上の一つのショット領域上の細長い露光領域に投影される。ウエハＷは例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ(silicon on insulator)等の直径が１５０〜３００ｍｍ程度の円板状の基板であり、その表面にフォトレジストが塗布されている。レチクルＲ及びウエハＷはそれぞれ第１物体及び第２物体（又は単に物体）ともみなすことができる。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図７の紙面に平行にＸ軸を取り、図７の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。本例の走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向はＹ方向である。
【００７９】
このとき、レチクルＲはレチクルステージ２（第１ステージ）上に吸着保持され、レチクルステージ２は、レチクルベース３上にエアーベアリングを介してＹ方向に一定速度で駆動され、かつＸ方向、Ｙ方向、及びＺ軸の周りの回転方向に微動できるように載置されている。レチクルステージ２のＸ方向、Ｙ方向の位置、及び回転角はレチクルステージ駆動系５内のレーザ干渉計によって計測されている。この計測値及び装置全体の動作を制御するコンピュータよりなる主制御系４（補正装置）からの制御情報に基づいて、レチクルステージ駆動系５は、リニアモータ等の駆動機構（不図示）を介してレチクルステージ２の速度及び位置を制御する。
【００８０】
一方、ウエハＷは不図示のウエハホルダを介してウエハテーブル６上に真空吸着によって保持されており、このウエハテーブル６がＺ方向の位置及びＸ軸、Ｙ軸の周りの傾斜角を制御するためのＺチルトステージ７上に固定され、Ｚチルトステージ７はＸＹステージ８（第２ステージ）上に固定されている。ＸＹステージ８は、定盤よりなるウエハベース９上にエアーベアリングを介してＹ方向に一定速度で移動でき、かつＸ方向、Ｙ方向にステップ移動できるように載置されている。また、投影光学系ＰＬの下部側面に、ウエハＷの表面に複数のスリット像を斜めに投影する投射光学系１１Ａと、ウエハＷからの反射光を受光してそのスリット像を再結像して、この再結像された像のシフト量に応じた信号を出力する受光光学系１１Ｂとからなる斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ（１１Ａ，１１Ｂ）が配置されている。走査露光時には、このオートフォーカスセンサ（１１Ａ，１１Ｂ）の計測値に基づいてウエハステージ駆動系１０は、Ｚチルトステージ７を介してオートフォーカス方式でウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合わせ込む。
【００８１】
ウエハテーブル６、Ｚチルトステージ７、及びＸＹステージ８よりウエハステージが構成されている。ウエハテーブル６（ウエハＷ）のＸ方向、Ｙ方向の位置及び回転角は、ウエハステージ駆動系１０内のレーザ干渉計によって例えば１〜０．１ｎｍ程度の位置分解能で計測されている。この計測値及び主制御系４からの制御情報に基づいて、ウエハステージ駆動系１０は、リニアモータ等の駆動機構（不図示）を介してＸＹステージ８（ウエハステージ）の速度及び位置を制御する。更に、ウエハベース９の＋Ｙ方向の近傍にウエハローダ系（不図示）が配置されている。
【００８２】
そして、ウエハＷに対する走査露光時には、レチクルステージ２及びＸＹステージ８を駆動して、露光光ＩＬの照明領域及びこれに投影光学系ＰＬに関して共役な露光領域に対してそれぞれレチクルＲとウエハＷ上の一つのショット領域とをＹ方向に同期走査する動作と、ＸＹステージ８を駆動してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作とが繰り返される。この動作によって、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の各ショット領域にレチクルＲのパターン像が露光される。
【００８３】
さて、この露光が重ね合わせ露光であるとすると、その露光前に予めレチクルＲのアライメント及びウエハＷのアライメントを行っておく必要がある。そのため、レチクルＲの上方には、例えば特開平７−１７６４６８号公報等に開示されているレチクルアライメント顕微鏡（不図示）が配置されている。そして、このレチクルアライメント顕微鏡によってレチクルＲ上の所定のアライメントマーク（レチクルマーク）と、ウエハテーブル６上の所定の基準マーク（不図示）との位置ずれ量を検出し、この位置ずれ量に基づいてレチクルＲの位置及び回転角が補正される。
【００８４】
また、ウエハＷ上の各ショット領域にはそれぞれアライメントマークとしてのウエハマークが付設されており、そのウエハマークの位置を検出するために、投影光学系ＰＬの側面にオフ・アクシス方式でＦＩＡ(Fie1d Image A1ignment )方式よりなる画像処理方式のアライメントセンサ１２が配置されている。アライメントセンサ１２は、白色光で被検マークを照明する照明系と、その被検マークの拡大像を形成する検出用光学系と、その像を撮像するＣＣＤ型の２次元撮像素子と、分光反射率検出装置４０Ａとを備えると共に、内部にオートフォーカスセンサ（不図示）を備えている。
【００８５】
アライメントセンサ１２からの撮像信号より、アライメント信号処理系３２は被検マークの検出中心（指標マークの中心）からの位置ずれ量を求めて主制御系４に供給する。主制御系４は、その位置ずれ量を後述のように分光反射率検出装置４０Ａを用いて求めたオフセットで補正し、ウエハステージ駆動系１０内のレーザ干渉計を介して検出されるウエハテーブル６（ウエハＷ）のＸ座標、Ｙ座標にその補正後の位置ずれ量を加算することによって、その被検マークのステージ座標系（Ｘ，Ｙ）での配列座標を求めることができる。
【００８６】
また、レチクルＲのアライメント時に、ウエハテーブル６上の別の基準マークの位置をアライメントセンサ１２を介して検出することによって、レチクルＲのパターン像の中心とアライメントセンサ１２の検出中心との間隔であるベースライン量が求められて、主制御系４の記憶部に記憶される。これ以後は、アライメントセンサ１２の検出結果を例えば特公平４−４７９６８号公報で開示されているエンハンスト・グローバル・アライメント（ＥＧＡ）方式で統計処理して得られるウエハＷ上の各ショット領域の配列座標を、そのベースライン量分だけずらすことによって、ウエハＷ上の各ショット領域に既に形成されている回路パターンと、レチクルＲのパターン像とを高精度に重ね合わせて露光することができる。
【００８７】
次に、本例のアライメントセンサ１２の構成につき説明する。図７において、不図示の検出用光源から光ファイバー１３を介して導かれた近赤外及び可視の広帯域の光（白色光）を含むアライメント用の検出光は、レンズ１４、照明視野絞り１５、レンズ１６、ビームスプリッタ１７、第１対物レンズ１８、落射照明用のミラー１９、レンズ２０、及び指標マークが形成された指標板（不図示）を介してウエハＷ上の検出対象のマークとしてのウエハマークＷＭを照明する。ウエハマークＷＭでの反射、散乱、及び回折によって上方に向かう光（以下、「マーク光」と呼ぶ）は、指標板（不図示）、レンズ２０、ミラー１９、第１対物レンズ１８、ビームスプリッタ１７を経てミラー２２に至る。
【００８８】
ミラー２２で上方に反射されたマーク光の大部分は、第２対物レンズ２３、ビームスプリッター２１、レンズ２４、開口絞り２５、レンズ２６、及びミラー２７を経てビームスプリッタ２８に至る。ビームスプリッタ２８で反射されたマーク光は、ＣＣＤ型の２次元撮像素子２９の撮像面にウエハマークＷＭの拡大像を形成し、ビームスプリッタ２８を透過してミラー３０で反射されたマーク光は、ＣＣＤ型の２次元撮像素子３１の撮像面に指標マークの拡大像（デフォーカスされたウエハマークの像も重畳されている）を形成する。撮像素子２９及び３１の撮像信号はアライメント信号処理系３２に供給されている。この場合、指標板、レンズ２０、ミラー１９、第１対物レンズ１８、ビームスプリッタ１７、ミラー２２、第２対物レンズ２３、ビームスプリッター２１、レンズ２４、開口絞り２５、レンズ２６、ミラー２７、及びビームスプリッタ２８よりアライメントセンサ１２の検出用光学系が構成され、この検出用光学系は広帯域の検出光のもとでウエハＷ上のウエハマークＷＭの拡大像を撮像素子２９上に形成する。また、検出用光学系は、指標マークの像を撮像素子３１上に形成するためにも兼用されている。その検出用光学系のウエハＷ上での光軸を光軸ＢＸと呼ぶ。
【００８９】
また、ビームスプリッター２１で反射されたマーク光が検出光として分光反射率検出装置４０Ａに入射する。分光反射率検出装置４０Ａは、図２の分光反射率検出装置４０中の開口絞り５７、第２対物レンズ５８、ミラー６１Ａ，６１Ｂ、回折格子５９Ａ〜５９Ｃ、及び撮像素子６０Ａ〜６０Ｃを含んで構成されている。即ち、分光反射率検出装置４０Ａは、図２の分光反射率検出装置４０と同様に、ウエハマークＷＭからの正反射光及び±１次回折光の波長別の光量（分光反射率）を検出することができる。更に、分光反射率検出装置４０Ａは、図２の信号処理装置５０及び解析用コンピュータ４９を含み、信号処理装置５０は分光反射率の情報を解析用コンピュータ４９に供給し、解析用コンピュータ４９はそれに基づいてスキャタロメトリ解析によって被検ウエハマークの断面形状、ひいてはそのオフセットを求め、このオフセットの情報を図７の主制御系４に供給する。即ち、本例の分光反射率検出装置４０Ａは、そのままマーク計測装置に対応している。なお、アライメントセンサ１２の検出用光学系は図７の構成には限定されず、例えば特開平７−１８３１８６号公報に開示されているような種々の構成を取り得る。
【００９０】
次に、本例のウエハマークの一例につき図８を参照して説明する。
図８（Ａ）は、図７のウエハＷを示す拡大平面図であり、図８（Ａ）において、ウエハＷの表面はＸ方向、Ｙ方向に所定ピッチで複数のショット領域ＳＡに区分され、各ショット領域ＳＡにそれぞれ凹凸パターンよりなる２次元のウエハマークＷＭが形成されている。ウエハマークＷＭは、図８（Ｂ）に示すように、Ｘ方向に所定ピッチで凹部と凸部とを格子状に形成したＸ軸マーク６３ＸＡと、このＸ軸マーク６３ＸＡをＹ方向に挟むように、Ｙ方向に所定ピッチで凹部と凸部とを格子状に形成した２つのＹ軸マーク６３Ｙとを備えている。
【００９１】
例えばＥＧＡ方式でアライメントを行う場合には、図７のアライメントセンサ１２によって図８（Ａ）のウエハＷの周辺部にほぼ均等に配列されたショット領域Ａ１〜Ａ１０に形成されたウエハマークＷＭのＸ方向、Ｙ方向の位置がそれぞれ検出される。
図９（Ａ）は、図７の撮像素子２９の撮像面２９ａに形成されるウエハマークＷＭの拡大像（Ｘ軸マーク６３ＸＡの像６３ＸＡＩ及び２つのＹ軸マーク６３Ｙの像６３ＹＩ）の一例を示し、図９（Ａ）において図８（Ａ）のウエハＷ上のＸ方向、Ｙ方向に対応する方向をそれぞれｘ方向、ｙ方向としてある。そのＸ軸マークの像６３ＸＡＩのｘ方向の位置を求めるために、先ずｘ軸に平行な走査線６７に沿って撮像素子の信号を読み出すことによってｘ軸の撮像信号が得られる。同様にｘ軸に平行な他の走査線に沿って読み出すことで多数の撮像信号が得られ、これらの撮像信号は図７のアライメント信号処理系３２に供給される。アライメント信号処理系３２では、一例として所定範囲のｘ軸に平行な複数の走査線に沿って得られる撮像信号をそれぞれデジタル化して加算（又は平均）することによって、図９（Ｃ）に示すようなＸ軸マーク６３ＸＡの波形データＩ（ｘ）を得る。波形データＩ（ｘ）は、撮像面上のｘ方向の位置（例えば画素の番号で表される）に対応させてアライメント信号処理系３２内のメモリに格納される。ウエハＷ上のＸ方向の長さと撮像面２９ａ上のｘ方向の長さとの比の値は、主制御系４及びアライメント信号処理系３２内の記憶部に記憶されている。
【００９２】
図９（Ｂ）は、ウエハマークＷＭ中のＸ軸マーク６３ＸＡの非対称な断面形状の一例を示し、図９（Ｃ）の波形データＩ（ｘ）は、図９（Ｂ）のＸ軸マーク６３ＸＡに対して或るフォーカス位置で検出される撮像信号をデジタル化したものである。この例の波形データＩ（ｘ）は、ウエハマーク６３ＸＡの各段差部でそれぞれ値がパルス状に低下する信号となっている。この場合には、一例として所定のスライスレベルで波形データＩ（ｘ）を２値の複数のパルスで表し、これら複数のパルスのｘ方向の位置を平均化することでＸ軸マークの像６３ＸＡＩのｘ方向の位置を求めることができる。
【００９３】
しかしながら、本例の図９（Ｂ）のＸ軸マーク６３ＸＡの断面形状は非対称であるため、アライメントセンサ１２で検出した位置と、目標とするマーク位置との間にオフセットΔｘ２が残存している。以下では、そのオフセットΔｘ２を求めて補正する動作の一例につき、図１０のフローチャートを参照して説明する。
先ず、図１０のステップ１０１において、１ロットの先頭のフォトレジストが塗布されたウエハ（ウエハＷとする）が図７のウエハステージのウエハテーブル６上にロードされる。この際に、ウエハＷ上の不図示のサーチアライメントマークの位置をアライメントセンサ１２によって検出することによって、ウエハＷの大まかなアライメントが行われる。次のステップ１０２において、ウエハＷ上の最初に検出すべきウエハマークＷＭ（図８（Ａ）のショット領域Ａ１のウエハマークＷＭ）の中心が、ほぼアライメントセンサ１２の光軸ＢＸ上に位置決めされる。この状態で、アライメントセンサ１２からウエハマークＷＭに検出光が短時間だけ照射され、ウエハマークＷＭからの正反射光及び±１次回折光を分光反射率検出装置４０Ａで受光することによって、それぞれの波長別の強度（分光反射率）が検出される。
【００９４】
次のステップ１０３において、第１の実施形態と同様にその分光反射率を用いてスキャタロメトリ解析を行うことによって、ウエハマークＷＭの断面形状を規定する複数のパラメータの値が決定され、これによって実質的にその断面形状が復元される。また、本例の分光反射率検出装置４０Ａ内の解析用コンピュータには、その断面形状に応じたアライメントセンサ１２の計測値のオフセットがテーブルとして記憶されており、そのテーブルのデータを補間することによって、その断面形状に応じたアライメントセンサ１２の計測値のオフセット（ここでは図９（Ｂ）のＸ軸マーク６３ＸＡに対するオフセットΔｘ２）が求められて、主制御系４に供給される。そのオフセットは、Ｙ軸マークのオフセットとしても用いられる。
【００９５】
次のステップ１０４において、アライメントセンサ１２を用いて、図８（Ａ）のウエハＷ上の断面形状の復元が行われたウエハマークを含むショット領域Ａ１〜Ａ１０上の各ウエハマークＷＭのＸ方向、Ｙ方向の位置が計測されて、これらの計測値が主制御系４に供給される。次のステップ１０５において、主制御系４は、アライメントセンサ１２の計測値からステップ１０３で求められたオフセットの補正を行い、この補正後の計測値を用いて例えばＥＧＡ方式でウエハＷの全部のショット領域の配列座標を求める。これでウエハＷのアライメント（位置合わせ）が完了し、次のステップ１０６において、図７の露光装置を用いて、ウエハＷの各ショット領域にレチクルＲのパターンが転写される。
【００９６】
次のステップ１０７において、１ロットのウエハの露光が終了したかどうかが判定され、露光が終了していない場合には、動作はステップ１０８に移行して、ウエハステージ（ウエハテーブル６）上のウエハＷが次の露光対象のウエハと交換される。その後、動作はステップ１０４に戻り、交換後のウエハに対してアライメントセンサ１２を用いてのウエハマークの位置計測が行われた後、その計測値のオフセット補正（ステップ１０５）、及びそのウエハの露光（ステップ１０６）が行われる。そのオフセット補正に際しては、先頭のウエハＷに対してステップ１０３でスキャタロメトリ解析によって求められたオフセットが共通に使用される。そして、ステップ１０７において、露光対象のウエハが尽きた時点で露光工程が終了する。
【００９７】
以上のように本例によれば、１ロットの先頭のウエハに対してスキャタロメトリ解析によってウエハマークの断面形状、ひいてはオフセットを求めているため、ウエハマークの断面形状に依らずに高精度にアライメントを行うことができる。また、スキャタロメトリ解析を行うのは先頭ウエハの１番目のショット領域のウエハマークだけであるため、スループットは殆ど低下することがない。なお、例えばウエハマークの断面形状の計測精度を向上させたい場合には、先頭から所定の複数枚のウエハについて、更にそれらのウエハの複数個のショット領域のウエハマークについてスキャタロメトリ解析を行って断面形状を求めるようにしてもよい。
【００９８】
また、上記の実施形態では、ウエハ上のアライメントマークの断面形状を求めるためのスキャタロメトリ解析を行っているが、その他に又はそれと共に、レチクルＲ上のアライメントマークの断面形状を求めるためにスキャタロメトリ解析を行うようにしてもよい。
なお、上記の実施の形態の露光装置は、複数のレンズから構成される照明光学系等を露光装置本体に組み込み光学調整をして、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより製造することができる。なお、その露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
【００９９】
また、上記の実施の形態の露光装置を用いて半導体デバイスを製造する場合、この半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいてレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを形成するステップ、上記の実施の形態の投影露光装置によりアライメントを行ってレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、エッチング等の回路パターンを形成するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、及び検査ステップ等を経て製造される。
【０１００】
なお、本発明は、一括露光型の露光装置にも同様に適用することができる。また、本発明の露光装置の用途としては半導体デバイス製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
【０１０１】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明をデバイス製造技術に適用することによって、重ね合わせ精度等が向上するため、各種デバイスを高精度に、かつ高いスループットで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施形態の露光システムの概略構成を示す図、（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｄ）はそれぞれ露光システムの別の構成例を示す図である。
【図２】その第１の実施形態の分光反射率検出装置４０を使用している状態を示す図である。
【図３】図２の分光反射率検出装置４０を＋Ｘ方向に見た側面図である。
【図４】（Ａ）は図２のウエハマークＷＭ中のＸ軸マーク６３Ｘの一部の構成を示す拡大断面図、（Ｂ）は断面形状が非対称なＸ軸マーク６３ＸＡの一部の構成を示す拡大断面図、（Ｃ）はフォトレジストを塗布する前の図４（Ｂ）のマークを示す拡大断面図である。
【図５】（Ａ）はウエハマークからの正反射光に対して図２の分光反射率検出装置４０を介して計測される分光反射率の一例を示す図、（Ｂ）はウエハマークからの＋１次回折光に対して同様に計測される分光反射率の一例を示す図、（Ｃ）はウエハマークからの−１次回折光に対して同様に計測される分光反射率の一例を示す図である。
【図６】（Ａ）は断面形状が対称のマークを規定する複数のパラメータを説明するための図、（Ｂ）は断面形状が非対称のマークを規定する複数のパラメータを説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の投影露光装置の構成を示す図である。
【図８】（Ａ）は図７のウエハＷ上のショット配列の一例を示す平面図、（Ｂ）は図８（Ａ）中のウエハマークＷＭを示す拡大平面図である。
【図９】（Ａ）は図７の撮像素子２９で撮像される画像の一例を示す図、（Ｂ）はウエハマークＷＭの一部のマークの断面形状を示す拡大断面図、（Ｃ）は図９（Ｂ）のマークに対応する撮像信号の一例を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態の露光動作の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０４】
Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＷＭ…ウエハマーク、１２…アライメントセンサ、３３…コータ・デベロッパ、３４…搬送系、３５，３５Ａ…露光装置、４０，４０Ａ…分光反射率検出装置、４９…解析用コンピュータ、５０…信号処理装置、５６，５８…対物レンズ、５９Ａ，５９Ｂ，５９Ｃ…回折格子、６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ…撮像素子、６２Ａ…正反射光（０次光）、６２Ｂ，６２Ｃ…１次回折光、６３Ｘ，６３ＸＡ…Ｘ軸マーク、６４…フォトレジスト、６５Ａ…感光層、６５Ｂ〜６５Ｇ…中間層、６５Ｈ…基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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